(Đồ án hcmute) robot lau nhà điều khiển từ xa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KĨ THUẬT MÁY TÍNH ROBOT LAU NHÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA GVHD : SVTH : MSSV : SVTH : MSSV : TRƯƠNG NGỌC SƠN HUỲNH DUY KHANG 13119196 TRẦN ĐỒNG CÔNG HIẾU 13119082 SKL 0 6 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2018 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ROBOT LAU NHÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA Sinh viên thực : HUỲNH DUY KHANG 13119196 TRẦN ĐỒNG CÔNG HIẾU 13119082 Ngành:CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT MÁY TÍNH Giáo viên hướng dẫn : TS.TRƯƠNG NGỌC SƠN TP.Hồ Chí Minh, tháng 1, 2018 an LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa chất lượng cao giảng dạy em suốt bốn năm học tạo điều kiện thuận lợi để em thực tốt đề tài Cảm ơn gia đình, cha mẹ nguồn động viên to lớn vật chất tinh thần suốt thời gian học hành, để em có tương lai, theo đuổi ước mơ nghiệp Đặc biệt cảm ơn thầy Trương Ngọc Sơn tạo điều kiện hướng dẫn em cách học tập nghiên cứu để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Cuối xin chúc gia đình, bạn bè quý thầy, cô nhiều sức khỏe thành công công việc Xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực đề tài an Mục lục Chương 1:Tổng quan 1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu…………………………………………………… 10 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 10 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 10 1.6 Phương ph́ áp nghiên cứu 10 1.7 Bố cục của Đồ án 10 Chương 2:Cơ sở lý thuyết liên quan 11 2.1 Pic16F887 11 2.1.1 Đặc điểm phần cứng của VĐK PIC 16F877 12 2.1.2 Chức của VĐK PIC 16F877 13 2.2 Cảm biến gia tốc mpu-6050 14 2.2.1 Tổng quan mpu-6050 14 2.2.2 Các chân liệu tính 15 2.3 Cảm biến IR 16 2.3.1 Giới thiệu cảm biến IR 16 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 17 2.4 Cảm biến siêu âm 18 2.4.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm 19 2.4.2 Nguyên lý hoạt động 19 2.5 Động L298 20 2.5.1 Giới thiệu động L298 20 2.5.2 Thông số kĩ thuật L298 21 2.6 ESP8266 22 2.6.1 Giới thiệu ESP8266 23 2.6.2 Các chế độ boot up của ESP8266 23 an 2.7 Module Adruicamera 24 2.71 Giới thiệu module 25 2.72 Chức hoạt động 26 2.8 Giao thức TCP/IP 27 2.8.1 Giới thiệu TCP/IP 27 2.8.2 Giao thức TCP/IP hoạt động nào? 28 Chương 3:Nội dung nghiên cứu 29 3.1 Thuật toán đường 29 3.1.1 Tầm quan trọng của thuật toán 30 3.1.2 Một số thuật tốn dùng cho robot thơng minh 30 3.2 Thiết kế giao diện điều khiển 31 3.2.1 Giao diện web 31 3.2.2 Giao diện điện thoại 32 Chương 4:Thiết kế xây dựng hệ thống 35 4.1 Sơ đổ khối hệ thống 35 4.1.1 Yêu cầu hệ thống 35 4.1.2 Sơ đồ khối 36 4.1.3 Sơ đồ mạch nguyên lý 36 4.1.4 Hoạt động của hệ thống 37 4.1.3.1 Hoạt động của giao diện 38 4.1.3.2 Hoạt động của robot 38 4.2 Thiết kế tính tốn hệ thống 39 4.2.1 Khối cảm biến 39 4.2.2 Khối điều khiển động 39 4.2.3 Khối giao tiếp wifi 40 4.2.4 Khối xử lý trung tâm 40 4.2.5 Khối nguồn 41 4.3 Lưu đồ giải thuật 42 4.3.1 Lưu đồ giao diện 42 an 4.3.1.1 Lưu đồ đăng nhập web 43 4.3.1.2 Lưu đồ giao diện điều khiển web android 44 4.3.2 Lưu đồ hoạt động robot 45 4.3.2.1 Lưu đồ 45 4.3.2.2 Lưu đồ tự vận hành 46 4.3.2.3 Lưu đồ vận hành theo yêu cầu 47 Chương 5:Kết quả,so sánh,thực nghiệm,phân tích,tổng hợp…………………48 5.1 Phần cứng 49 5.2 Giao diện điều khiển 50 Chương 6:Kết luận hướng phát triển 51 6.1 Kết luận 51 6.2 Hướng phát triển 51 Phụ lục 52 Tài liệu tham khảo 53 an Danh mục hình ảnh Hình 2.2.1 Sơ đồ chân pic16f887……………………………………….……… 10 Hình 2.2.1 Các chân mpu-6050……………………………………………….….13 Hình 2.2.2 Quá trình truyền nhận MPU6050……………………………….… 14 Hình 2.3.1 Cảm biến IR……………………………………………………….….15 Hình 2.3.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến IR……………………………….… 16 Hình 2.4.1 Cảm biến siêu âm srf05………………………………………………17 Hình 2.4.2 Tách riêng chân TRIGGER ECHO……………………….…… 17 Hình 2.4.3 Sử dụng chân cho TRIGGER ECHO…………….…… 18 Hình 2.6.1 ESP8266 NODEMCU……………………………………………… 20 Hình 2.6.2 Sơ đồ chân ESP8266…………………………………………….……21 Hình 2.6.3 Các chế độ boot up của ESP8266……………………………………22 Hình 2.7.1 Module AdruiCamera……………………………………………… 23 Hình 2.7.2 Sơ đồ nối chân voi ESP8266 NODEMCU………… ………………24 Hình 2.7.3 Kết nối chân…………………………………………………… ……25 Hình 2.7.4 Ảnh thu từ module…………………………… ………………26 Hình 2.8.1 Các lớp TCP/IP………………………………………….……………27 Hình 3.1.1:Xuất phát từ đỉnh 1……………………………………… …………28 Hình 3.1.2:Đi đến đỉnh 2, nút nút cha của nút 2….……………28 Hình 3.1.3:Hết tất đỉnh kề của đỉnh 1, bơi đen đỉnh 1…….……………28 Hình 3.1.4: Xuất phát từ đỉnh 2,đi đến đỉnh 3,nút cha của đỉnh đỉnh 2.…28 Hình 3.1.5 : Xuất phát từ đỉnh 2, bôi đen đỉnh 4, nút cha của đỉnh đỉnh 2……………………………………………………………………………………29 Hình 3.1.6 Minh họa thuật tốn ơm tường…………………………….… ……30 Hình 3.1.7 Minh họa thuật tốn xoắn ốc……………………………….… ……31 Hình 3.1.8 Minh họa thuật tốn zic zag…………………………………………32 an Hình 3.2.2.1 Giao diện lập trình điện thoại…………………………… ………33 Hình 3.2.2.2 Giao diên đăng nhập để điều khiển………………………………34 Hình 3.2.2.3 Giao diện điều khiển điện thoại………………………….……….35 Hình 4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống………………………………………….………36 Hình 4.1.2 Sơ đồ nguyên lý………………………………………………………39 Hình 5.1.1 Phần cứng robot……………………………………….…… ………45 Hình 5.1.2 Phần cứng robot sau hồn thiện…………… …………………45 Hình 5.2.1 Giao diện đăng nhập web trước nhập pass………….…………45 Hình 5.2.2 Giao diện đăng nhập web sau nhập pass…………….…………46 Hình 5.2.3 Giao diện điều khiển di động……………………… …………46 an Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu Cùng với phát triển xã hội loài người, ngành khoa học - kỹ thuật không ngừng đến thành cơng Nhiều cơng trình khoa học, phát minh nhà khoa học vào sống, phục vụ lợi ích người robot số đó.Ngày robot khơng ứng dụng sản xuất,chăm sóc sức khỏe,giáo dục, mà ứng dụng rộng rãi đời sống ngày gia đình.Robot trở thành trợ thủ đắc lực việc giải việc nhà giúp người nội trợ nhân viên công sở tiết kiệm thời gian,giảm stress đặc biệt tận hưởng sống cách trọn vẹn 1.2 Tính cấp thiết của đề tài: Cuộc sống ngày phát triển,nhu cầu việc nghỉ ngơi người ngày trọng, lý đề tài đời.Sau làm việc căng thẳng công ty, người cần thư giãn nhà robot đóng vai trò người trợ thủ đắc lực việc giảm tải thời gian làm việc nhà Ngồi tính quen thuộc hút bụi,lau nhà robot trang bi hệ thống cảm biến xung quanh thân giúp nhận diện vật cản giúp robot tránh va chạm khơng cần thiết ngồi cảm biến hồng ngoại thân robot làm cho tránh cầu thang địa hình lõm khác.Hệ thống điều khiển qua điện thoai với giao diện đơn giản dễ sử dụng ngồi người dùng cịn điều khiển robot thơng qua web server, người dùng điều khiển robot làm việc đâu có wifi 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tạo robot có khả đáp ứng nhu cầu dọn dẹp nhà của,giao diện đơn giản tạo đơn giản người sử dụng,đồng thời tối ưu hóa giá thành 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu ● Nghiên cứu thiết kế phần cứng robot lau nhà ● Nghiên cứu thiết kế phần mềm robot lau nhà thực chế độ tự động điều khiển tay 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu ● Các giải thuật điều khiển robot tự động ● Truyền liệu không dây, điều khiển robot an ● Lập trình thiết bị di dộng 1.6 Phương ph́ áp nghiên cứu ● Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực tiễn 1.7 Bố cục của Đồ án Chương 1:Tổng quan ● Gới thiệu đề tài ● Tính thực tế tầm quan trọng đề tài sống Chương 2:Cơ sở lý thuyết liên quan ● Giới thiệu phần cứng:Vi xử lý/vi điều khiển,cảm biến,động cơ,….,cơ sở liệu khái niệm liên quan Chương 3:Nội dung nghiên cứu ● Các thuật toán đường robot ● Thiết kế giao diện điều khiển Chương 4:Nội dung nghiên cứu ● Giới thiệu khối hệ thống cách thức hoạt động ● Thiết kế,tính tốn hệ thống Chương 5:Kết quả,so sánh,thực hiện,phân tích,tổng hợp ● Hồn thiện đề tài ● So sánh với mục tiêu đề ● Phân tích tổng hợp đạt chưa đạt hệ thống Chương 6:Kết luận hướng phát triển ● Rút học trình thực đề tài ● Đề hướng phát triển cho đề tài an 4.1.3 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.1.2 Sơ đồ nguyên lý 4.1.4 Chức khối: ● Điều khiển thông qua di động web: Điều khiển robot theo ý muốn người sử dụng thông qua giao diện thiết kế sẵn.Chọn lựa chế độ điều khiển tự động ● Khối giao tiếp wifi:Kết nối robot với hệ thống mạng ● Khối xử lý trung tâm:Nhận tính hiệu từ khối điều cập nhật liệu từ camera đến giao diện khối điều khiển.Khi có tín hiệu từ khối điều khiển khối xử lý trung tâm thực chế độ điều khiển tự động ● Khối camera:Cập nhật vi trí robot hổ trợ chế độ điều khiển ● Khối cảm biến:Đươc đặt xung quanh thân đáy robot có chức xác định vật cản vùng đia hình lõm 34 an 4.1.5 Hoat động của hệ thống: 4.1.5.1 Hoạt động giao diện  Giao diên web: ● Bao gồm giao diện đăng nhập, bao gồm hai ô password, với nút nhấn xác nhập ● Sau đăng nhập thành công người dùng liên kết đến giao diện điều khiển  Giao diện điều khiển chương trình, bao gồm: ● Nếu chọn chế độ tự vận hành, cảm biến siêu âm hồng ngoại hoạt động để giúp robot tránh vật cản địa hình xấu ● Nếu chọn chế độ điều khiển tay, người dùng sử dụng phím điều hướng để điều khiển xe theo ý  Giao diện điện thoại: ● Chỉ gồm giao diện điều khiển có chức tương tự giao diện web 4.1.5.2 Hoạt động robot ● Robot trạng thái lệnh từ điện thoại web server Khi nhận lệnh, robot thực thi theo yêu cầu 4.2 Thiết kế tính tốn hệ thống 4.2.1Khối cảm biến:  u cầu: Để phát vật cản xe có phản xạ kịp thời, cảm biến cần phải phát xác tầm khoảng cách 20cm Các loại thường gặp: STT Tên Cảm biến hồng ngoại SHARP Cảm biến hồng ngoại V1 Cảm biến siêu âm SRF 04 Cảm biến siêu âm SRF 05 Analog Khoảng cách phát Giá 20 – 150 cm 230.000 VND -5 cm - 300 cm - 450 cm 20.000 VND 30.000 VND 45.000 VND 35 an  Giải pháp: ● Trong loại cảm biến thường gặp cảm biến IR có giá thành thấp lau nhà mơi trường có ánh sáng mặt trời cảm biến hồng ngoại lại không đảm bảo độ xác ● Do cảm biến siêu âm lựa chọn tốt để thực chức tránh vật cản robot.So với srf04 srf05 có khoảng cách phát xa hơn,giá thành khơng chênh lệch nhiều ● Xác định địa hình xấu: Ngược lại so với chức tránh vật cản cảm biến dị địa hình đặt gầm robot, nơi ánh sáng hạn chế thích hợp sử dụng cảm biến hồng ngoại,tối ưu giá thành Giải pháp chọn: Dùng cảm biến siêu âm SRF-05 có khoảng cách phát xa giá thành rẻ 4.2.2 Khối điều khiển động  Yêu cầu: ● Điều khiển motor 12V ● Có thể nhận điện áp điều khiển mức logic từ 3.3V -5V cho phù hợp với vi điều khiển ST Tên Giá Điện áp đầu vào L298 L9110 Mini H1 TB6612 55.000 VND 45.000 VND 45.000 VND 70.000 VND – 30V 2.5 - 12V -10V < 15V T Dòng cực đại ngõ vào 2A 0.8A 1.5A 1.2A  Giải pháp: Chọn module L298 do: ● Có mạch bảo vệ chống q dịng bên trong, dễ sử dụng ● Dù có giá tiền rẻ Mini H1 L9110 khơng có mạch bảo vệ dòng, để gây hư hỏng linh kiện khác hệ thống 36 an 4.2.3Khối giao tiếp wifi  Yêu cầu: ● Phù hợp với chuẩn Wifi (802.11) ● Hoạt động ổn định ● Có thể ưu tiên chọn board mạch nhúng tích hợp sẵn module wifi  Giải pháp: Chọn NodeMCU ESP8266 do: ● Dễ dàng việc lập trình giao diện ● Nhìu chân gpio hỗ trợ giao tiếp camera 4.2.4 Khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm chọn dịng vi điều khiển PIC loại vi điều khiển phổ biến giá thành rẻ dễ dàng gia cơng Tính tốn số lượng chân cần thiết : Số chân kết nối Số lượng Esp8266 Cảm biến góc Cảm biến siêu âm Cảm biến điện áp Động encoder STT Tên linh kiện Cảm biến ngoại hồng Sau tính tốn cần 24 chân I/O Tốc độ xử lý liệu từ 16bit đến 32bit Tên Giá Pic16F887 45.000đ Bộ Raspberry pi zero 500.000đ Arduino Uno R3 140.000đ 37 an ● Trong tên nêu Pic 16F887 có giá thành thấp đảm bảo số chân I/O cần thiết tốc độ xử lý.Ngoài robot lau nhà cần nhỏ gọn để lau dọn không gian hẹp nên Pic 16F887 lựa chọn để tối ưu diện tích phần cứng ● Chức ngõ vào ra, kết nối ● Port B kết nối với cảm biến hồng ngoại PIC có cho phép ngắt ngồi port B ● Port C kết nối với module ESP8266 đọng encoder ● Port A kết nối với cảm biến điện áp để đo dung lượng pin ● Port D, B,E kết nối với module cịn lại Các chương trình lập trình sẵn pic người dùng chọn chế độ thực liệu truyền qua module esp8266 giao tiếp với pic chân usart để thực chế độ Các trương trình bao gồm nhiệm vụ sau : ● Cài đặt thông số ban đầu cho pic module esp8266 ● Thực lênh kiểm tra tín hiệu đầu vào ● Điều khiển động hoạt động theo mong muốn thuật tốn lập trình 4.2.5 Khối nguồn: ● Cho Motor : Dùng pin 4.2V viên 3.7V loại sạc lại để tạo điện áp 12.1V cho Motor Tên Giá Điện áp Dòng xả Pin sạc Panasonic 1100mAh 30.000 VND 3.7V 2A Pin sạc Panasonic 1100mAh 30.000 VND 4.2V 2A Sạc dự phòng Xmobile XR02 200.000 VND 5V 2.1A 38 an 4.3 Lưu đồ giải thuật 4.3.1 Lưu đồ giao diện 4.3.1.1 Lưu đồ đăng nhập web  Khi truy cập đến web, hiển thị ô đăng nhập chức điều khiển bị vơ hiệu  Sau nhập password, sử dụng chức điều khiển  Ưu điểm  Đáp ứng đầy đủ chức cần thiết  Camera hỗ trợ trình điều khiển  Khuyết điểm  Giao diện đơn giản  Còn tồn độ trễ thấp 39 an 4.3.1.2 Lưu đồ giao diện điều khiển web android Gồm chế độ điều khiển:  Chế độ tự động: Phát tín hiệu “auto” đến robot để robot chạy theo thuật toán lập trình sẵn  Chế độ điều khiển: Phát tín hiệu từ phím điều khiển, robot di chuyển theo yêu cầu người sử dụng sử hỗ trợ camera quan sát  Ưu điểm:  Hai chế độ hoạt động giúp người dùng don dep phịng nơi nhà  Khuyết điểm:  Chỉ hoạt động môi trường có trang bị wifi 40 an 4.3.2 Lưu đồ hoạt động robot 4.3.2.1 Lưu đồ Khi nhận tín hiệu điều khiển:  Chế độ tự động: Khi nhận lệnh tự vận hành robot chạy theo thuật tốn zic zag lập trình sẵn  Chế độ điều khiển: Khi nhận lệnh từ nút nhấn điều khiển, robot di chuyển theo hướng mà người dùng mong muốn  Ưu điểm:  Thời gian trễ điều khiển trình robot thực thi thấp khoảng 0.5s  Khuyết điểm:  Phụ thuộc nhiều vào tốc độ mạng để giảm thiểu thời gian trễ 41 an 4.3.2.2 Lưu đồ tự vận hành Trong chế độ tự vận hành:  Ban đầu robot chạy thẳng, lúc cảm biến phía đầu robot liên tục dị tìm vật cản phía trước sau truyền liệu khối xử lý trung tâm  Nếu chạy thẳng robot gặp vật cản , robot chạy theo thuật tốn zic zag  Nếu khơng có vật cản robot tiếp tục chạy thẳng  Giới thiệu thuật toán zic zag: Khi gặp vật cản đầu tiên, robot lùi lại, quẹo phải, quẹo phải thẳng đến gặp vật cản Khi gặp vật cản thứ 2, robot lùi lại, quẹo trái, quẹo trái thẳng đến găp vật cản quay giống lần gặp vật cản  Ưu điểm:  Thuật toán zic zag sử dụng giúp đạt diện tích dọn dẹp tối đa  Khuyết điểm:  Chưa thể đạt độ xác di chuyển 42 an 4.3.2.3 Hoạt động theo yêu cầu  Trong chế độ robot nhận lệnh từ nút điều khiển hướng  Khi nhận lệnh robot kiểm tra xem có chế độ tự động khơng, có chế độ tự động di chuyển theo ý người sử dụng 43 an Chương 5: KẾT QUẢ, SO SÁNH, THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỔNG HỢP 5.1 Phần cứng Hình 5.1.1 Phần cứng robot Hình 5.1.2 Phần cứng robot sau hoàn thiện Nhận xét:Phần cứng hoạt động ổn, nhỏ gọn nên lau chùi nơi người khó tiếp xúc 44 an 5.2 Giao diện điều khiển Hình 5.2.1 Giao diện đăng nhập web trước nhập pass Nhận xét: Robot hoạt động theo yêu cầu có độ trễ 1.5s điều khiển Hình 5.2.3 Giao diện điều khiển di động Nhận xét: Robot chạy theo yêu cầu thông qua giao diện điều khiển điện thoại với độ trễ thấp 45 an Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Sản phẩm lần đáp ứng số yêu cầu đề ra: ● Robot lau dọn nhà cửa theo thuật tốn zic zag ● Có thể điều khiển qua điện thoại, web ● Có thể truyền hình ảnh từ camera Một số hạn chế đề tài: ● Chưa thể điều khiển thông qua tảng IOS ● Chưa thể thiết kế đế xác thông minh ● Chưa thể tự xạc pin hết pin ● Chức hoạt động chưa tốt 6.2 Hướng phát triển Nghiên cứu phát thêm tảng IOS phát triển thêm mảng xạc thông minh 46 an TÀI LIỆU THAM KHẢO Microchip, PIC16f887, www.microchip.com/wwwproducts/en/PIC16F887, 18/1/2018 Android studio, Android, www.androidauthority.com/android-studio-tutorial-beginners-637572/, 18/1/2018 Arduino, nodeMCU, www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage, 18/1/2018, www.internetofthinking.blogspot.com, 18/1/2018 47 an S an K L 0 ... diện điều khiển web android Gồm chế độ điều khiển:  Chế độ tự động: Phát tín hiệu “auto” đến robot để robot chạy theo thuật toán lập trình sẵn  Chế độ điều khiển: Phát tín hiệu từ phím điều khiển, ... đăng nhập để điều khiển 31 an Sau đăng nhập thành công giao diện điều khiển xuất giao diện điều khiển Lúc nhập ip mặc định robot để kết nối điều khiển kết nối thành công nút điều khiển hoạt động... hiệu từ khối điều cập nhật liệu từ camera đến giao diện khối điều khiển. Khi có tín hiệu từ khối điều khiển khối xử lý trung tâm thực chế độ điều khiển tự động ● Khối camera:Cập nhật vi trí robot